FICHE DE RÉVISION – Les solutions aqueuses
(Niveau : Seconde)
Matière : Les Solutions Aqueuses
Plongée dans les mélanges homogènes : solvant, soluté, concentration massique, préparation et dosage.
Partie 1 : Définitions – Solvant, Soluté, Solution
Une solution aqueuse est un type courant de mélange homogène.
Une solution est un mélange homogène obtenu en dissolvant une ou plusieurs espèces chimiques (soluté(s)) dans une autre espèce chimique (solvant).
- Le solvant est l’espèce chimique majoritaire, dans laquelle on dissout le(s) soluté(s).
- Le soluté est l’espèce chimique minoritaire qui est dissoute dans le solvant.
- Si le solvant est l’eau, la solution est dite aqueuse.
La dissolution est le processus où le soluté se disperse dans le solvant.
Eau salée : L’eau est le solvant, le sel (chlorure de sodium) est le soluté. C’est une solution aqueuse.
Sirop de menthe : L’eau est le solvant ; le sucre, le colorant, l’arôme de menthe sont des solutés.
Air : Le diazote (≈80%) est le solvant ; le dioxygène (≈20%) et les autres gaz sont des solutés. (Solution gazeuse).
Partie 2 : Concentration en Masse (\(C_m\))
Pour décrire quantitativement une solution, on utilise sa concentration.
La concentration en masse (\(C_m\)) d’un soluté dans une solution est la masse (\(m_{\text{soluté}}\)) de soluté dissous par litre (\(V_{\text{solution}}\)) de solution. $$ C_m = \frac{m_{\text{soluté}}}{V_{\text{solution}}} $$ Unités : Généralement en grammes par litre (g/L ou g·L⁻¹).
Attention à la distinction :
- Concentration en masse \(C_m\) : Masse de SOLUTÉ / Volume de SOLUTION. Décrit la composition.
- Masse volumique \(\rho\) : Masse de SOLUTION / Volume de SOLUTION. Propriété physique de la solution elle-même.
On dissout 10 g de sucre dans de l’eau pour obtenir 200 mL de solution.
Masse de soluté : \(m = 10\) g.
Volume de solution : \(V = 200\) mL = \(0,200\) L.
Concentration en masse : \(C_m = \frac{10 \text{ g}}{0,200 \text{ L}} = 50\) g/L.
(La masse volumique de cette solution serait légèrement supérieure à 1 g/mL).
Concentration Maximale (Solubilité)
On ne peut pas dissoudre une quantité infinie de soluté dans un solvant donné. Il y a une limite.
La concentration maximale (ou solubilité) d’un soluté dans un solvant est la concentration en masse maximale de ce soluté que l’on peut dissoudre dans ce solvant à une température donnée.
Lorsque cette concentration est atteinte, la solution est dite saturée. Si on ajoute encore du soluté, il ne se dissout plus et reste généralement sous forme solide au fond.
La solubilité du sel (NaCl) dans l’eau à 20°C est d’environ 360 g/L.
Si on essaie de dissoudre 400 g de sel dans 1 L d’eau, seuls 360 g se dissoudront, et 40 g resteront solides au fond. La solution obtenue sera saturée avec \(C_m = 360\) g/L.
Partie 3 : Préparation de Solutions
Comment préparer une solution de concentration donnée ?
1. Préparation par Dissolution
On veut préparer un volume \(V_{\text{solution}}\) d’une solution contenant un soluté solide à la concentration en masse \(C_m\).
Calcul de la masse à peser : D’après la formule \(C_m = m/V\), on a : $$ m_{\text{soluté}} = C_m \times V_{\text{solution}} $$ (Attention aux unités ! Si \(C_m\) est en g/L, \(V\) doit être en L pour obtenir \(m\) en g).
Protocole :
- Calculer la masse \(m\) de soluté nécessaire.
- Peser précisément cette masse \(m\) (balance, coupelle).
- Introduire le solide dans une fiole jaugée de volume \(V_{\text{solution}}\) (verrerie de précision).
- Ajouter un peu de solvant (eau distillée), boucher et agiter pour dissoudre.
- Compléter avec le solvant jusqu’au trait de jauge.
- Boucher et agiter pour homogénéiser.
Préparer 100 mL (0,100 L) d’une solution de sulfate de cuivre à \(C_m = 20\) g/L.
Masse à peser : \(m = C_m \times V = 20 \text{ g/L} \times 0,100 \text{ L} = 2,0\) g.
On pèse 2,0 g de sulfate de cuivre solide, on les met dans une fiole jaugée de 100 mL, on dissout avec un peu d’eau, on complète jusqu’au trait de jauge, on bouche et on agite.
– Pour préparer une solution (dissolution/dilution) : Fiole Jaugée (très précise pour UN volume fixe).
– Pour prélever un volume précis de liquide : Pipette Jaugée (très précise pour UN volume fixe) ou Pipette Graduée (moins précise, pour divers volumes).
– Pour mesurer des volumes approximatifs ou transvaser : Éprouvette graduée, Bécher, Erlenmeyer (pas précis !).
2. Préparation par Dilution
On veut préparer un volume \(V_{\text{fille}}\) d’une solution diluée (solution fille) à la concentration \(C_{m, \text{fille}}\), à partir d’une solution plus concentrée (solution mère) de concentration \(C_{m, \text{mère}}\).
Principe : La dilution consiste à ajouter du solvant. La masse de soluté prélevée dans la solution mère est la même que celle qui se retrouve dans la solution fille. $$ m_{\text{prélevé (mère)}} = m_{\text{final (fille)}} $$ En utilisant \(m = C_m \times V\), on obtient la relation de dilution : $$ C_{m, \text{mère}} \times V_{\text{prélevé (mère)}} = C_{m, \text{fille}} \times V_{\text{fille}} $$ Cela permet de calculer le volume \(V_{\text{prélevé (mère)}}\) à prélever.
Le facteur de dilution \(F\) est \( F = \frac{C_{m, \text{mère}}}{C_{m, \text{fille}}} = \frac{V_{\text{fille}}}{V_{\text{prélevé (mère)}}} \). (Il est toujours \(> 1\)).
Protocole :
- Calculer le volume \(V_{\text{mère}}\) à prélever.
- Prélever précisément ce volume avec une pipette jaugée (ou graduée) adaptée.
- Introduire ce volume dans une fiole jaugée de volume \(V_{\text{fille}}\).
- Ajouter du solvant jusqu’aux 3/4 environ, agiter.
- Compléter avec le solvant jusqu’au trait de jauge.
- Boucher et agiter pour homogénéiser.
On dispose d’une solution mère de glucose à \(C_{m, \text{mère}} = 50\) g/L. On veut préparer 250 mL (\(V_{\text{fille}}=0,250\) L) d’une solution fille à \(C_{m, \text{fille}} = 10\) g/L.
Calcul du volume à prélever : \(V_{\text{mère}} = \frac{C_{m, \text{fille}} \times V_{\text{fille}}}{C_{m, \text{mère}}}\)
\(V_{\text{mère}} = \frac{10 \text{ g/L} \times 0,250 \text{ L}}{50 \text{ g/L}} = \frac{2,5}{50} = 0,050\) L = 50 mL.
Protocole : Prélever 50 mL de solution mère avec une pipette jaugée de 50 mL. Les verser dans une fiole jaugée de 250 mL. Compléter avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. Boucher et agiter. (Facteur de dilution \(F = 50/10 = 5\)).
Partie 4 : Dosage par Étalonnage
Comment déterminer la concentration inconnue d’une solution colorée ou dont une propriété physique varie avec la concentration ?
Le dosage par étalonnage consiste à comparer une propriété de la solution inconnue à la même propriété mesurée sur une gamme de solutions de concentrations connues (gamme d’étalonnage).
Méthode :
- Préparer une série de solutions (gamme d’étalonnage) de concentrations connues \(C_1, C_2, …\) du soluté étudié.
- Mesurer une propriété physique qui dépend de la concentration pour chaque solution étalon (ex : absorbance pour une solution colorée, masse volumique…).
- Tracer la courbe d’étalonnage : Propriété mesurée en fonction de la concentration. Souvent, on obtient une droite passant par l’origine (situation de proportionnalité).
- Mesurer la même propriété pour la solution inconnue.
- Reporter cette mesure sur le graphique et lire graphiquement la concentration inconnue correspondante sur l’axe des abscisses.
Cette méthode peut aussi être utilisée pour déterminer une concentration maximale (solubilité) en observant à partir de quelle concentration préparée la propriété mesurée n’augmente plus (ou un solide apparaît).
On mesure la masse volumique \(\rho\) de solutions de saccharose de différentes concentrations \(C_m\). On obtient une droite d’étalonnage.
On mesure la masse volumique d’un soda : \(\rho_{\text{soda}} = 1,045\) g/mL.
On reporte cette valeur sur la courbe d’étalonnage et on lit la concentration correspondante en abscisse, par exemple \(C_m \approx 110\) g/L.
Partie 5 : Entraînement (Exercices)
- Exercice 1 (Concentration) : On dissout 5,85 g de chlorure de sodium (NaCl) dans de l’eau pour obtenir 500 mL de solution. Calculer la concentration en masse \(C_m\) de la solution en g/L.
-
Exercice 2 (Dilution) : On dispose d’une solution S₀ de diiode de concentration \(C_0 = 0,10\) mol/L (unité vue plus tard, mais le calcul est le même). On souhaite préparer 100 mL d’une solution S₁ diluée 10 fois (\(F=10\)).
a) Quelle sera la concentration \(C_1\) de la solution S₁ ?
b) Quel volume \(V_0\) de solution mère S₀ faut-il prélever ?
c) Décrire brièvement le protocole et la verrerie à utiliser. - Exercice 3 (Dosage par étalonnage) : On mesure l’absorbance A (grandeur liée à la couleur) de solutions de permanganate de potassium de concentrations \(C_m\) connues. On obtient le graphe A = f(\(C_m\)) qui est une droite passant par l’origine de pente \(k=2,5\) L/g (donc \(A = 2,5 \times C_m\)). Une solution inconnue a une absorbance \(A_{inconnue} = 0,4\). Quelle est sa concentration en masse ?
Partie 6 : Corrections Détaillées
Correction Exercice 1 (Concentration)
Masse de soluté : \(m = 5,85\) g.
Volume de solution : \(V = 500\) mL = 0,500 L.
\(C_m = \frac{m}{V} = \frac{5,85 \text{ g}}{0,500 \text{ L}} = 11,7\) g/L.
La concentration en masse est de 11,7 g/L.
Correction Exercice 2 (Dilution)
\(C_0 = 0,10\) mol/L. \(V_1 = 100\) mL = 0,100 L. Facteur \(F=10\).
a) Concentration fille \(C_1\) :
Le facteur de dilution est \(F = C_0 / C_1\).
Donc \(C_1 = C_0 / F = 0,10 / 10 = 0,010\) mol/L.
b) Volume mère \(V_0\) à prélever :
On utilise \(C_0 V_0 = C_1 V_1\).
\(V_0 = \frac{C_1 V_1}{C_0} = \frac{0,010 \times 100}{0,10}\) (on peut laisser les volumes en mL car le rapport C1/C0 est sans unité ici, ou utiliser F)
Ou plus simple : \(F = V_1 / V_0 \Rightarrow V_0 = V_1 / F = 100 \text{ mL} / 10 = 10\) mL.
c) Protocole et Verrerie :
1. Prélever 10 mL de solution mère S₀ à l’aide d’une pipette jaugée de 10 mL (précision).
2. Verser ce prélèvement dans une fiole jaugée de 100 mL (précision).
3. Ajouter de l’eau distillée jusqu’à mi-hauteur environ, boucher, agiter.
4. Compléter avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge (bas du ménisque sur le trait).
5. Boucher et agiter pour homogénéiser.
Correction Exercice 3 (Dosage par étalonnage)
On a la relation d’étalonnage : \(A = 2,5 \times C_m\) (où A est l’absorbance et \(C_m\) la concentration en g/L).
La solution inconnue a une absorbance \(A_{inconnue} = 0,4\).
On utilise la relation pour trouver la concentration \(C_{inconnue}\) correspondante :
\(A_{inconnue} = 2,5 \times C_{inconnue}\)
\(0,4 = 2,5 \times C_{inconnue}\)
\(C_{inconnue} = \frac{0,4}{2,5} = 0,16\) g/L.
La concentration en masse de la solution inconnue est de 0,16 g/L.
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